3.3.2. Защитные цепи тиристорных ключей

Для силовых транзисторов и запираемых тиристоров практически используют одни и те же схемные способы защиты в переходных процессах переключения [6]. Однако более высокие амплитуды коммутируемых токов и мощностей определяют дополнительное воздействие паразитных элементов схемы на переходные характеристики. При этом изменяются формы коммутируемых токов и напряжений, что накладывает дополнительные требования при расчете защитных цепей.

Для запираемых тиристоров с допустимой скоростью изменения анодного тока в несколько сотен ампер на микросекунду функцию защитного дросселя могут выполнять паразитные индуктивности монтажа. С другой стороны, нужно очень тщательно подходить к оценке параметра di/dt и выбирать необходимую скорость не только по предельно допустимой величине. Дело в том, что при превышении некоторого порога скорости все составляющие времени включения GTO начинают резко возрастать. При этом ухудшаются частотные и динамические свойства тиристора, а также растет мощность потерь в структуре. Поэтому наиболее оптимальным вариантом при включении тиристора является режим, при котором анодное напряжение снижается до уровня насыщения при относительно малом токе коллектора (10...40 А). При этом используют схему защиты с насыщающимся дросселем (рис. 3.25).

Для данного дросселя используют кольцевой сердечник с прямоугольной петлей гистерезиса Увеличение анодного тока в схеме с насыщающимся реактором возможно только после промежутка времени, определяемого магнитными характеристиками и геометрией сердечника, а также выходным напряжением ключа:

(3.4)

где N — число витков дросселя;

E— напряжение питания ключа;

B — изменение индукции магнитопровода;

S — площадь поперечного сечения магнитопровода.

Рис.3.25

Начальный ток ключа определяется током намагничивания сердечника и рассчитывается по формуле:

(3.5)

где Нс — напряженность магнитного поля (коэрцитивная сила) сердечника; L — средняя длина кольцевого сердечника.

Диаграмма анодного тока при включении тиристора показана на рис. 3.26.

Сброс или рассеяние энергии, накопленной в паразитных или специально введенных индуктивностях анодной цепи, при выключении тиристора без защитных мер может явиться причиной выхода прибора из строя. Во избежание этого параллельно GTO включают демпфирующую RCD-цепь (рис. 3.27).

Данная цепь в тиристорном ключе играет важную роль с точки зрения повышения коммутирующей способности GTO, поскольку кроме функций ограничения скорости и всплесков напряжений обеспечивает также:

1. Ускорение процесса спада анодного тока при условии минимизации паразитной индуктивности защитной цепи.

2. Разделение во времени процессов спада тока и нарастания напряжения, что существенно снижает мощность потерь при выключении, если учитывать большой остаточный ток ключа. Диаграмма изменения напряжения на тиристоре с демпфирующей цепью при выключении представлена на рис. 3.28.

Рис. 3.26

Первый всплеск напряжения V1 в выходной цепи тиристора обусловлен наличием паразитной индуктивности в самой демпферной цепи. Данный скачок не должен превышать определенного уровня, задаваемого для конкретного типа тиристора (не более нескольких сотен вольт). Для обеспечения минимальной паразитной индуктивности (см. Табл. 3.1) площадь контура демпферной цепи должна быть предельно малой. То же относится к конструктивным особенностям защитного конденсатора и демпферного диода, при этом паразитная индуктивность конденсатора может быть снижена за счет использования параллельной сборки, а демпферный диод следует выбирать с низкоиндуктивным корпусом.

Второй всплеск напряжения V2 обусловлен индуктивностью анодной цепи тиристора и даже несколько снижается с ростом индуктивности демпферной цепи. На амплитуду отрицательного всплеска ΔV_А влияют величина резистора R₀ и заряд восстановления обратной блокирующей способности демпферного диода Qrr. Чем больше их величины, тем более глубоким является провал V3. При увеличении Rо выше некоторого предельного значения возможен даже перепад анодного напряжения ниже нулевого уровня, что критично для тиристоров GТО с анодной шунтировкой. После всплеска V3 анодное напряжение на тиристоре восстанавливается со скоростью, пропорциональной амплитуде провала, что может привести к повторному включению прибора, если снят импульс отрицательного управления.

При выборе элементов защитной цепи тиристора используют следующий подход:

Рис. 3.27 Рис. 3.28

1. Защитную емкость выбирают из условия обеспечения допустимой скорости изменения анодного напряжения:

(3.6)

где Iтм — максимальный анодный ток перед коммутацией;

(dV/dt)_KP — критическая скорость нарастания анодного напряжения.

2. Сопротивление Rо выбирается на напряжение, до которого заряжается защитный конденсатор, и на необходимую мощность рассеиваемой энергии. Величина Ro ограничена снизу допустимой амплитудой тока включения тиристора, а сверху — скоростью полного разряда Со в течение длительности открытого состояния тиристора tn:

(3.7)

где Vo — напряжение на защитном конденсаторе перед включением тиристора (обычно это напряжение питания ключа Е).

I_ТО — допустимый ток включения GTO.

3. Демпферный диод выбирается по классу напряжения, соответствующему силовому ключу и среднему току на порядок меньшему, чем средний ток тиристора. Данный диод должен быть высокочастотным с быстрым восстановлением и минимально возможным параметром Qrr. После выбора элементов демпферной цепи амплитуды всплесков аноднoгo напряжения ΔV1 и ΔV2 можно приближенно оценить по формулам:

(3.8)

(3.9)

где L_S2 — паразитная индуктивность защитной цепи;

t_GF — фронт спада анодного тока тиристора;

L_S1 — паразитная индуктивность силовых шин.

Мощность, рассеиваемая в резисторе R₀, определяется выражением:

(3.10)

где f— частота коммутации тиристора.

Суммарная мощность, рассеиваемая в GTO и демпферной цепи, постоянна и определяется током нагрузки и индуктивностью анодной цепи L_S1. Поэтому чем больше мощность, выделяемая на R₀, тем меньше мощность потерь в структуре ключа, что улучшает условия его выключения.